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摘要：質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）是一種采用可傳導(dǎo)離子的聚合膜作為電解質(zhì)的燃料電池，因此也被稱作聚合物電解質(zhì)燃料電池（PEFC）、同體聚合物燃料電池（SPFC）或固體聚合物電解質(zhì)燃料電池（SPEFC）。PEMFC因其高效、環(huán)保的特性，在新能源汽車、固定式電站等領(lǐng)域具有十分廣闊的應(yīng)用前景。而質(zhì)子交換膜作為PEMFC的核心部件，其性能優(yōu)劣直接關(guān)系到燃料電池的整體性能和效率，因此，研發(fā)企業(yè)及單位對(duì)其相關(guān)性能指標(biāo)給予了重點(diǎn)關(guān)注。
關(guān)鍵詞：質(zhì)子交換膜燃料電池、質(zhì)子交換膜、阻隔性能、氣體透過率、氫氣透過、厚度、透氣率、剝離強(qiáng)度、斷裂伸長率、拉伸強(qiáng)度、智能電子拉力試驗(yàn)機(jī)、測(cè)厚儀、壓差法氣體滲透儀
測(cè)試意義
質(zhì)子交換膜燃料電池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC）是一種采用可傳導(dǎo)離子的聚合膜作為電解質(zhì)的燃料電池，因此也被稱作聚合物電解質(zhì)燃料電池（PEFC）、同體聚合物燃料電池（SPFC）或固體聚合物電解質(zhì)燃料電池（SPEFC）。PEMFC具有高效的能量轉(zhuǎn)換率，通常可以達(dá)到90%，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)的能量轉(zhuǎn)換效率。PEMFC因其高效、環(huán)保的特性，在新能源汽車、固定式電站等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。然而，其制造成本和耐久性問題仍是制約其大規(guī)模商業(yè)化的主要因素。未來，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和成本的降低，PEMFC有望成為一種重要的清潔能源解決方案。
而質(zhì)子交換膜作為PEMFC產(chǎn)品的核心部件，不僅具有阻隔作用，還具有傳導(dǎo)質(zhì)子的功能，其性能優(yōu)劣直接關(guān)系到燃料電池的整體性能和效率。因此，研發(fā)企業(yè)及單位對(duì)其相關(guān)性能指標(biāo)給予了重點(diǎn)關(guān)注。
相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)
目前，國內(nèi)針對(duì)“質(zhì)子交換膜燃料電池"產(chǎn)品關(guān)鍵組件的質(zhì)量檢測(cè)出臺(tái)了多項(xiàng)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，例如《GBT 20042.3-2022 質(zhì)子交換膜燃料電池 第3部分：質(zhì)子交換膜測(cè)試方法》、《GBT 20042.7-2014 質(zhì)子交換膜燃料電池 第7部分：炭紙?zhí)匦詼y(cè)試方法》、《GB/T 20042.5-2009質(zhì)子交換膜燃料電池 第5部分：膜電極測(cè)試方法》等等。
本文將主要圍繞核心組件“質(zhì)子交換膜"，以GBT 20042.3-2022標(biāo)準(zhǔn)為例，為行業(yè)客戶提供相應(yīng)的檢測(cè)服務(wù)與儀器解決方案。
一、質(zhì)子交換膜氣體透過率（透氣率/氫氣透過率）
質(zhì)子交換膜作為PEMFC的核心部件之一，它能夠?qū)㈥帢O和陽極分隔開，阻止燃料（氫氣）和氧化劑（氧氣）直接混合發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。該作用可以用氣體透過率來評(píng)價(jià)，氣體透過率越高，則膜的氣體阻隔性能越差，氫氣和氧氣接觸越多，就會(huì)使得電池兩極電勢(shì)差越低，電池的開路電壓也就越低。所以，質(zhì)子交換膜材料的氣體透過率指標(biāo)也就十分重要，是企業(yè)需要重點(diǎn)監(jiān)控的性能之一。
Labthink自主研發(fā)生產(chǎn)的VAC-V2壓差法氣體滲透儀，是一款專業(yè)用于薄膜試樣的氣體透過率測(cè)試儀，儀器采用壓差法測(cè)試原理，符合并滿足GB/T 20042.3-2022《質(zhì)子交換膜燃料電池 第3部分：質(zhì)子交換膜測(cè)試方法》標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)質(zhì)子交換膜的“氣體透過率"和“氣體透過系數(shù)"指標(biāo)的測(cè)試要求，可專業(yè)用于檢測(cè)質(zhì)子交換膜的氣體透過性能，通過個(gè)性化定制，可滿足客戶對(duì)材料進(jìn)行易燃易爆氣體如氫氣的透過率測(cè)試。
二、 拉伸強(qiáng)度與斷裂拉伸應(yīng)變、180°剝離強(qiáng)度測(cè)試
質(zhì)子交換膜力學(xué)強(qiáng)度指標(biāo)的好壞直接關(guān)系到材料本身耐機(jī)械損傷的能力，從而影響其機(jī)械穩(wěn)定性以及燃料電池堆的使用壽命。標(biāo)準(zhǔn)GBT 20042.3-2022對(duì)“拉伸強(qiáng)度"、“斷裂拉伸應(yīng)變"、“彈性模量"、“180°剝離強(qiáng)度"指標(biāo)檢測(cè)有明確的要求。
針對(duì)質(zhì)子交換膜的力學(xué)強(qiáng)度檢測(cè)，推薦使用Labthink蘭光研發(fā)生產(chǎn)的C610M智能電子拉力試驗(yàn)機(jī)完成試驗(yàn)。該儀器是一款專業(yè)用于測(cè)試各種軟質(zhì)材料拉伸性能等力學(xué)特性的電子拉力試驗(yàn)機(jī)，配置優(yōu)于0.5級(jí)的高精度力值傳感器，一臺(tái)試驗(yàn)機(jī)集成拉伸、剝離、撕裂、熱封、定伸抗拉、下壓等專業(yè)獨(dú)立的測(cè)試程序，為用戶提供多種試驗(yàn)項(xiàng)目選擇，能夠滿足多種測(cè)試需求。結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試要求，C610M拉力試驗(yàn)機(jī)一臺(tái)設(shè)備就可以完成質(zhì)子交換膜的拉伸高度、斷裂拉伸、180°剝離強(qiáng)度檢測(cè)，同時(shí)，配置專業(yè)穿刺力測(cè)試夾具，可進(jìn)行膜材的抗穿刺性能測(cè)試。一機(jī)多用，超(分隔)高性價(jià)比。
三、 厚度測(cè)試
質(zhì)子交換膜厚度與燃料電池安全性和性能密切相關(guān)，這是因?yàn)橘|(zhì)子交換膜的質(zhì)子傳導(dǎo)阻力是燃料電池輸出壓降的主要組成之一，厚度大則表示傳導(dǎo)阻力大性能低，厚度小則容易壓傷刺穿；另一方面質(zhì)子交換膜中的結(jié)合水從陰極側(cè)反向擴(kuò)散到陽極側(cè)是由兩側(cè)之間的含水量梯度驅(qū)動(dòng)的，厚度小則含水量梯度大，反向擴(kuò)散強(qiáng)，從而允許更多的結(jié)合水電遷移，提高活性面積內(nèi)的電流密度。由此可見，企業(yè)對(duì)質(zhì)子交換膜厚度參數(shù)的確定與監(jiān)控尤為重要。
質(zhì)子交換膜的厚度均勻性測(cè)試，推薦使用Labthink蘭光C640測(cè)厚儀進(jìn)行測(cè)量。C640是一款高精度、高重復(fù)性的機(jī)械接觸式精密測(cè)厚儀，專業(yè)適用于量程范圍內(nèi)的薄膜、薄片、紙張、瓦楞紙板、紡織材料、非織造布、固體絕緣材料等各種材料的厚度精密測(cè)量。儀器搭載了Labthink新一代版控制分析軟件，操作友好、數(shù)據(jù)處理智能；同時(shí)支持Labthink特(分隔)有的DataShield數(shù)據(jù)盾系統(tǒng)（可選配置），為用戶提供極為安全可靠的測(cè)試數(shù)據(jù)和測(cè)試報(bào)告管理功能。
結(jié)論
近年來，新能源燃料電池行業(yè)的發(fā)展持續(xù)加速，燃料電池電堆及系統(tǒng)正向大功率快速迭代升級(jí)，技術(shù)水平也隨之快速提高。產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，更進(jìn)一步促進(jìn)了行業(yè)的規(guī)范化、細(xì)節(jié)化、具體化，關(guān)注燃料電池控制技術(shù)的研究與把控。在研發(fā)過程中，科研人員會(huì)通過優(yōu)化材料選擇、改進(jìn)制備工藝、調(diào)整膜結(jié)構(gòu)等方法來提升質(zhì)子交換膜的性能。除上述主要性能指標(biāo)外，質(zhì)子交換膜的水分傳導(dǎo)率、溶脹度、電滲系數(shù)等也是研發(fā)企業(yè)及單位關(guān)注的重點(diǎn)。
